Как возникли синтетические алмазы

Алмазы искусственного происхождения

Искусственные алмазы

История возникновения синтетических минералов берёт своё начало ещё с 1797 года. Именно тогда, учёные начали исследовать строение натуральных материалов, выяснили, что алмаз состоит полностью из углерода. Но, не было возможности при помощи производственных мощностей произвести углерод. Поэтому от теории к практике создания искусственного минерала работа не продвинулась.

Вновь заговорили о возможности создания твёрдого элемента в лабораторных условиях в 1926 году. Команда французских учёных приблизилась к истине, но сделать камень, который удовлетворял бы по внешнему виду и был правильным, с технической стороны вопроса, не удалось. Проблема заключалась в том, что кристаллические решётки прочного минерала невозможно было передать при помощи оборудования того времени.

В 1942 году, патент на исследования оказался у компании General Electrics. Несмотря на неспокойную военную обстановку, фирма начала тщательные исследования. Специалисты выяснили, что необходимыми техническими характеристиками можно наделить вещество только при большом давлении, и поднимая температуру.

Завод по изготовлению искусственных алмазов

Учёные синтезируют искусственные алмазы

Через три года, компания с технологией производства искусственных алмазов выходит на рынок. В ювелирном деле использовать камни не получалось, так как размеры созданных искусственных компонентов были малы. Зато ими заинтересовались промышленные и даже военные фирмы. Искусственный алмаз стал использоваться и для производства медицинской техники.

Удалось решить проблему с миниатюрными размерами только к 1970 году. Камни стали выпускать размером более 1 карата, чего хватило ювелирам, чтобы начать делать со вставками из искусственного камня украшения.

КАК НАЗЫВАЮТСЯ ИСКУССТВЕННЫЕ БРИЛЛИАНТЫ

Живые камни: как искусственные алмазы завоевывают рынок

В конце XVIII века ученые обнаружили, что алмаз — одна из форм углерода. Это положило начало многочисленным попыткам воссоздать драгоценный камень из подручных материалов: таких, как уголь или графит.

Начиная с XIX века, многие известные физики и химики заявили об удачном завершении опытов по выращиванию алмазов. Правда, ни одно из таких заявлений не подтвердилось документально.

Лишь в 1927 году советский физик О. Лейпунский совершил прорыв, вычислив необходимые для процесса условия. Дальнейшие исследования и эксперименты проводились параллельно в СССР, США и Швейцарии.

Синтетический бриллиант

HPHT и CVD

Создал и запатентовал первую рабочую установку синтеза кристаллов швед Балтазар Платен. Свой метод он подсмотрел у природы.

Натуральные алмазы образуются на глубине, в раскаленной мантии земной коры с температурой более 1000°С и давлением около 50.000 атмосфер.

Платен воссоздал похожие условия: ячейку с никелем, кобальтом и железом раскаляли и обжимали многотонным прессом. Металлы в этом случае выступали катализатором, а прессы имитировали давление в тысячи атмосфер.

Такой способ получил название HPHT (High Pressure High Temperature) — высокое давление, высокая температура. Метод несовершенный, но простой и бюджетный. Сегодня он используется для массового изготовления технических алмазов и алмазной пыли.

В 60-х годах XX века был изобретен более совершенный метод CVD (Chemical vapor deposition) — химическое осаждение из газовой фазы. Суть технологии — в кристаллизации алмазов из углеводородного газа на выращенную методом HPHT подложку. CVD позволяет создавать более крупные и чистые кристаллы.

Нано-алмазы

Помимо HPHT и CVD, есть и другие, более узконаправленные, технологии:

  • детонационный синтез алмазов — высокие температура и давление получаются благодаря детонации графита. В результате разложения углеродосодержащих веществ образуются нанокристаллы;
  • ультразвуковой синтез наноалмазов — позволяет синтезировать микрокристаллы из суспензии графита в органической жидкости при обычном давлении и комнатной температуре.
Предлагаем ознакомиться  Искусственные полудрагоценные камни

Сходства и различия

Долгое время HPHT-алмазы и CVD-алмазы отличались от природных размерами — в искусственных условиях невозможно было вырастить камень крупнее карата. Но многие компании продолжают работать над устранением этого недостатка.

Нано-алмазы

размер 6 и более карат
твердость 10 по шкале Мооса
показатель преломления света 2,417 — 2,419
цвет D, E, F
чистота от чистейших IF до технических SI
тип в основном II (менее 0,001% азота)

По сложившемуся стереотипу «искусственный» — это нечто только внешне похожее на оригинал. Но имитация не всегда значит подделка.

Нексус

Так как современные выращенные алмазы идентичны природным, маркетологи предлагают заменить прижившийся термин «искусственный алмаз» на формулировки, которые отражали бы природу происхождения этого камня более точно:

  • «созданные»;
  • «выращенные в лаборатории»;
  • «созданные в лаборатории».

Есть и другие виды искусственных камней. Они близки по структуре к алмазам, но немного не дотягивают по характеристикам твердости и показателям преломления света.

  1. Муассанит. В природе он образует мелкие бесцветные кристаллы с алмазным блеском — карбид кремния. Но природный минерал встречается крайне редко. Поэтому когда речь идет о муассаните, обычно говорят об искусственном карбокорунде. Камень очень похож на алмаз (его показатель преломления даже более высокий: 2,65 — 2,69), а твердость лишь немного ниже (8,5-9,25 по шкале Мооса). Муассанит также отличается термочувствительностью (при нагревании выше 65°С меняет цвет).
  2. Нексус. Камень создают, соединяя углерод с другими компонентами. По прочности практически не уступает алмазу.
  3. Фианит. Создан учеными Физического института Академии наук СССР (ФИАН), в честь которого и был назван. Фианиты используются для имитации алмазов, с которыми их легко перепутать из-за сходного показателя преломления (2,15-2,25).

Фианит

При переводе на иностранные языки фианит нередко называют цирконом или цирконием, что не является верным, так как циркон — минерал с отличающимися физическими показателями, а цирконий — химический элемент.

Отдельно стоят кристаллы, имитирующие лишь внешний вид алмаза. Они значительно уступают по прочности и не имеют алмазного блеска (показатель преломления — меньше 1,9).

  1. Шпинель (дегуссит). Натуральная шпинель редка и имеет малиновый цвет. Поэтому для имитации алмазов используют искусственные камни, которым можно придать любой цвет.
  2. Хрусталь — является высококачественным стеклом.
  3. Стразы Сваровски — небольшие камни с идеально равными гранями и различными оптическими эффектами.
  4. Белый сапфир — искусственный бесцветный сапфир с высокими показателями прочности.
  5. Рутил — его показатель преломления даже выше, чем у алмаза, однако из-за высокого эффекта двупреломления тыльные грани кристалла затуманены.

Шпинель

Особенности искусственных алмазов

Искусственный алмаз нельзя называть копией, с физический точки зрения, это неправильно. Дело в том, что алмазы, сделанные природой и руками человека, идентичны по своим показателям, в частности, твёрдости по шкале Мооса, коэффициенту преломления солнечных лучей и другим параметрам. Отличаются тем, что они произведены различными путями. Алмазы сохраняют свойства природного самородка. В частности, идентичны характеристики:

  • прочности;
  • блеска;
  • структуры;
  • фактуры;
  • коэффициента преломления солнечных лучей;
  • номинального веса;
  • сопротивления электрическому заряду;
  • возможности проводить тепло;
  • упругости;
  • температуры плавления и др.

Конечно, в лабораторных условиях есть возможность произвести камни, лишённые дефектов. Материал получается идентичный тому, который могла сотворить природа при самых лучших условиях. Только 20% от общего числа добытых самородков в мировых производствах используются в ювелирном деле. Остальные имеют вкрапления, дефекты, замутнённую поверхность, поэтому применяются максимум в технических целях. Этим объясняется тот факт, что искусственные алмазы в большинстве изделий ювелиров, приборах давно заменяются искусственными аналогами.

Искусственный бриллиант называют по-разному. Учёные разделяют копии на так называемые НРНТ минералы — для их производства необходимо воздействие больших температурных показателей и давления; CDV камни, при изготовлении которых используются осаждения из пара химических элементов. Выращивание алмазов возможно и по другим технологиям — получаются виды муассанит, страз, фианит, фабулит, рутил, церуссит и другие.

Украшение с фианитом

Брошь в виде черепахи, украшенная фианитами

Синтетический алмаз обладает идентичными характеристиками. Показатели одинаковые, в частности:

  1. Химическая формула — углерод 100%
  2. Коэффициент преломления — 2,42
  3. Дисперсия — 0,044
  4. Твёрдость — 10 (высочайший балл по шкале Мооса)
  5. Плотность — 3,52.
Предлагаем ознакомиться  Алмаз это бриллиант или нет

Как видно из списка, характерные особенности присутственного и натурального бриллианта не отличимы. Но, искусственно выращенный бриллиант получают за несколько часов, суток, а для формования природного минерал понадобятся сотни лет.

Натуральный и синтетический алмазы

Внешне отличить искусственный алмаз от настоящего может только опытный ювелир. Слева — настоящий камень, справа — синтетический.

Создание синтетических материалов для ювелирных украшений — прибыльная отрасль. Стоимость ненатурального бриллианта может быть выше сотворённого природой, если он огромных размеров. Естественные камни уступают по внешнему виду, так как имеют трещины, сколы, помутнения. В то же время, какое бы ни было название искусственного бриллианта, он имеет такие особенности:

  • нет малейших вкраплений и неровностей фактуры;
  • нет трещин внутри камня, которые искажают прохождение солнечного луча;
  • цвет со временем не тускнеет.

Искусственный бриллиант неприхотлив. Если изделия с натуральными камнями нужно периодически отдавать на чистку в салоны, то заставить сверкать камень, сделанный в лаборатории, – дело нескольких минут. Потребуется выбрать доступное средство для чистки с любым показателем абразивности и тщательно потереть камень.

Три кольца с искусственными алмазами

Кольца и серьги с искусственными алмазами

ГДЕ ПРИМЕНЯЮТСЯ СИНТЕТИЧЕСКИЕ АЛМАЗЫ

Высокие технологии

Основная сфера применения искусственных алмазов — промышленность и высокие технологии:

  • режущий инструмент — искусственные алмазы являются одними из самых твердых веществ;
  • теплопроводники — сочетание высокой теплопроводности и минимальной электропроводности делает искусственный камень незаменимым в качестве теплоотвода для мощных лазеров и транзисторов;
  • оптика — натуральные алмазы не подходят для этих целей, так как имеют слишком много дефектов;

Муассанит

Технологический прорыв поставил перед ювелирными и алмазодобывающими компаниями вопрос о необходимости контролировать поток искусственных камней на ювелирный рынок. Сейчас рост их сбыта ограничивается юридически. В дополнение к этому некоторые компании открывают собственные производства искусственных ювелирных алмазов.

https://www.youtube.com/watch?v=hmSg2O1Cor4

Именно так поступили De Beers. Алмазодобывающая корпорация долгое время отказывалась заниматься изготовлением алмазов. Однако в 2018 году создала дочернюю компанию Lightbox Jewelry, которая начала продажу искусственных камней под своим брендом.

Способы выращивания синтетических алмазов

Искусственный алмаз называется камнем, для производства которого нужно не так много действий. Однако, должны соблюдаться чёткие лабораторные условия. Колебания даже на сотую градуса температуры приведут к плачевному результату.

Востребованная технология — под воздействием давления и высокой температуры. Материал – кристаллический углерод – помещают в сосуд, а потом выкладывают под пресс. На решётку подаётся вода сильной струёй. Она воздействует на кристаллический углерод под большим давлением. Чтобы ещё больше увеличить этот показатель, добавляют хладагенты. Давление повышается в 10 раз и достигает 5 гПа.

После достижения необходимого показателя давления к кристаллической решётке подключается электрическая шина. По ней подается ток. В результате этого, материал быстро нагревается. Графит переходит в стояние твёрдого камня. На заключительном этапе конструкции размораживают, сливают жидкость, которая осталась от хладагентов. Искусственные алмазы вынимают, дополнительно обрабатывают.

Завод, изготавливающий алмазы

Процесс изготовления искусственных алмазов на заводе

Выращивание алмаза метаном — доступная технология. Её использование не вызывает затруднений, но следует соблюдать правила безопасности. Метановая технология представляет собой способ, при котором кристалл искусственного камня получается под действием взрыва вещества.

Предлагаем ознакомиться  Драгоценный камень фиолетовый цвет

Взрыв метана приводит к нарушению целостности углеродной решётки. Искусственный алмаз нарастает, процедуру повторяют вновь. Не требуется соблюдать особые температурные показатели.

Существует несколько технологий взрыва метаном. Первая заключается в том, что происходит импульсный толчок. Камней получается много, но они небольшого размера. Второй способ состоит в том, что алмаз обдувают метаном при температуре от 1100 градусов по Цельсию. Второй метод затратный и требует соблюдения лабораторных условий. Но в результате получается камень любого размера, который продают по выгодой цене.

Цветовая гамма лабораторных камней

Газовый бесцветный алмаз — популярный вариант. Именно такие камни ценятся на ювелирном рынке больше. Но, сложность состоит в том, что прозрачный бриллиант вырастить тяжелее остальных. Требуются усилия, точное соблюдение температурных показателей при производстве.

Живые камни: как искусственные алмазы завоевывают рынок

Прозрачные бриллианты получаются только в том случае, если в изначальном составе не присутствует бор или азот. Даже мельчайшее попадание химических элементов в состав приводит к потускнению. Это не редкость, поэтому бриллианты полностью прозрачные являются самыми дорогими. Продают по цене, идентичной натуральным алмазам. Ценятся экземпляры от 1 карата.

Прозрачные искусственные алмазы

Синтетические бесцветные алмазы

Голубые бриллианты получаются при добавлении в кристаллическую углеродную решётку элемента бром. Если его попадает минимум, то готовый алмаз приобретает лёгкий голубоватый оттенок. При большом соотношении, получаются камни, имеющие яркий синий отлив.

Украшения с синтетическими синими алмазами

Золотые серьги с синтетическими корундами и бриллиантами

Жёлтые, неестественные бриллианты получаются при добавлении азота. Получение на оборудовании компании занимает минимум времени, поэтому такие варианты не имеют большую цену. Сделать можно лимонные, оранжевые, жёлтые, песочные вариации.

Жёлтый искусственный алмаз, украшающий кольцо

Обручальное кольцо с синтетическим жёлтым и прозрачными алмазами

В последнее время, на производстве стали создавать чёрные алмазы. Выглядят они интересно, подходят для стильных ювелирных украшений. В виде вставок используются для колец, серёжек и колье. Во время производства алмазов чёрного цвета используется никель.

Искусственные чёрные алмазы

Чёрные алмазы, созданные путём синтеза

КАК ВЫРАСТИТЬ ДОМА ИСКУССТВЕННЫЙ АЛМАЗ

На основе углерода вырастить искусственный бриллиант в домашних условиях не получится, так как это потребует высоких температур и давления.

С куда меньшими затратами можно создать собственный прозрачный кристалл из неорганических солей, например — алюмакалиевых квасцев.

Алюмакаливые квасцы можно купить в аптеке или мыловарном магазине по цене от 220 руб за 1 кг.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

  1. В стеклянной банке развести насыщенный раствор квасцев (в 400 мл горячей воды добавлять соль, пока она не перестанет растворяться).
  2. Отфильтровать полученный раствор через бумажный фильтр и оставить на сутки. За это время на дне банки образуются бесцветные кристаллы.
  3. Слить раствор в чистую стеклянную емкость, еще раз его отфильтровать.
  4. Из полученных кристаллов выбрать самый чистый и привязать его на леску. Другой конец лески привязать к карандашу или любому другому предмету, который будет положен на горлышко банки.
  5. Леска с кристаллом опускается в раствор до середины уровня.
  6. Камень выдерживается в растворе, пока не достигнет желаемого размера (до 2-3 месяцев). Для чистоты камня раствор желательно периодически фильтровать.
  7. Когда кристалл достигнет нужного размера, его необходимо достать из раствора, обсушить, обрезать леску и покрыть бесцветным лаком.
  8. Домашняя имитация алмаза готова.

Область применения искусственных алмазов

Более 80% искусственных алмазов пользуются в производстве. Так как материал считается самым твёрдым, из него делают наконечники для сверл, подшипники. Технические шлифовальные инструменты покрывают алмазной крошкой. Это увеличивает режущие способности. Порошок из алмазов находит применение в производстве медицинского оборудования. Ими покрываются режущие инструменты, например, скальпели и иглы.

Диск с напылением из искусственного алмаза

Алмазный диск, применяемый в строительстве

Немногим меньше, 20% искусственных алмазов поступают на ювелирный рынок. Выбирают большие камни, с красивой фактурой и без малейших дефектов. Алмазными вставками украшают наручные часы, серьги, бусы, колье, кольца, диадемы. Стоимость синтеза камня, если он обладает высокими характеристиками и имеет большой размер, превышает цену натурального.

Искусственные алмазы, украшающие часы

Часы, украшенные синтетическими алмазами